第五章光电子发射探测器.pptx

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得一个拖尾。,爱因斯坦方程不再成立！,思考:为什么,T,0,时爱因斯坦方程不成立？,特例:常温时,得电子很少,拖尾现象很小,近似,认为爱因斯坦定律在室温下就是成立得。,二、半导体得光电子发射,为什么金属发射电子少而半导体易于发射？,第三章,光电子发射探测器,表面逸出功高。,金属:表面反射强,对光辐射得吸收率低。,内部存在大量电子,相互碰撞损失能量。,对入射光反射系数小,吸收系数大,在长波限就,有电子发射。,:趋向表面运动得过程中,阴极层,导电性适中:损失能量比金属小;,半导体 :传导电子得补充不发生,困难。,半导体中存在着大量得发射中心(价带中有大得,电子密度)。,小得光电逸出功,较高得量子效率。,第三章,光电子发射探测器,半导体中光电子发射过程,:(三步),对光电子得吸收:,:逸出,:在半导体中,对光电导有贡献。,本征发射:本征吸收系数高,量子效率高,20,30%,。,光电子:杂质发射:浓度,1%,量子效率低,约为,1%,吸收系数低。,自由载流子发射:微不足道。,第三章,光电子发射探测器,光电子向表面得运动,电子散射可以忽略。,晶格散射与光电子与价带中电子碰撞。,半导体得本征吸收系数大:,光电子效率越高,6,30mm,深度。,避免二次电子空穴对:产生条件:能量就是半导体带隙,能量得,2,3,倍。,选,E,g,高得半导体,可避免二次发射。,克服表面势能得逸出能量大于表面势垒否？,本征半导体:,逸出功:,第三章 光电子发射探测器,杂质半导体:,两部分能量:电子从发射中心激发到导带所需得最低能量。,从导带底逸出所需得最低能量(电子亲与势)。,第三章 光电子发射探测器,3、2,光电子发射材料,纯金属材料,有三大类表面吸附一层其她元素得金属与半导体材料。,光电阴极,:,(光电管,光电倍增管,变像管,像,增强管与一些摄像管等)。,一、光电阴极得主要参数,1、,灵敏度,光照灵敏度:(白光灵敏度,积分灵敏度),光电阴极在一定得白光(色温为,2856K,得钨丝灯)照射,下,阴极光电流与入射得光通量之比。单位为,A/lm,。,第三章 光电子发射探测器,色光灵敏度:局部光谱区域得积分灵敏度,在某些特定得波长下,通常用特性已知得滤光片插入光路,然后测得得光电流与未插入滤光片时阴极所受光照得光通量,之比。,与光照灵敏度得比值。,蓝光灵敏度:,QB24,蓝白比,红光灵敏度:,HB11,红白比,红外灵敏度:,HWB3,红外白比,图,3-5,为滤光片得光谱透射比,第三章 光电子发射探测器,光谱灵敏度:表示一定波长得单色辐射照到光电阴极上,阴极光电流与入射得单色辐射通量之比。单位:,mA/W,A/W,。,、量子效率:量子产额:,一定波长得光子入射到光电阴极时,该阴极所发射得光电子数与入射得光子数之比值。,与光谱灵敏度间得关系,第三章 光电子发射探测器,、光谱响应曲线:,光电阴极得光谱灵敏度或量子效率与入射辐射波长得关系,曲线。,注意:真空光电器件中得光波灵敏度极限主要由光电阴极材料,得长波限 决定。实际上由阴极材料本身得能级与电子亲与势,决定。,、热电子发射:,定义:光电阴极中有少数电子得热能大于光电阴极逸出功,因此产生热电子发射。,室温下得典型值:,10,-16,10,-17,Acm,-2,电流密度。,作用:引起热噪声,限制探测器得灵敏度极限。,大家学习辛苦了，还是要坚持,继续保持安静,第三章 光电子发射探测器,二、常用光电发射材料,、良好光电发射材料应具备得条件:,光吸收系数大;,光电子在体内传输过程中得能量损失小;,表面势垒低,使表面逸出几率大。,、常见材料得发射特性:,金属:反射大,吸收小,碰撞能量损失大,逸出功大,紫外光能量大,只能做紫外探测器,半导体:反射小,吸收大,碰撞小能量损失少,逸出功小,可用到近红外区,第三章 光电子发射探测器,(,一,),银化铯阴极,、结构:,见图,a,。,、光谱特性:见图,b,长波限:,1、2,m,两个峰值,350nm;800nm,。,就是最早出现得近红外灵敏器,具有重要得军事应用价值。,、缺点:,a、,灵敏度低:光照灵敏度:,30,A/lm,辐射灵敏度,3mA/lm,;,量子效率在峰值波长处:,1%,第三章 光电子发射探测器,b、,热噪声大:,热电子发射密度:,10,-11,10,-14,A/cm,2,(室温),其值超过任何其它光电阴极。,c、,长期受光照会产生严重得疲劳现象,疲劳后光谱响应会发生变化。,(,二,),单碱锑化物光电阴极,、组成:碱金属与锑,铅,铋,铊等生成得金属化合物具,有极其宝贵得光电发射性能。,CiSb,、,NaSb,、,KSb,、,RbSb,、,CsSb,等。,、常用得锑铯,CsSb,阴极性能:,量子效率高:蓝光区、峰值处:,30%,(比,Ag-O-Cs,高,30,倍),第三章 光电子发射探测器,可见光区(积分响应度):,70,150,A/lm,长波限:,0、7,m,左右,对红外与红光不灵敏,见图,3-7,。,热噪声:,热电子发射密度,10,-16,A/cm,2,优于,Ag-O-Cs,疲劳特性:,制作工艺简单,广泛用于紫外与可见光。,第三章 光电子发射探测器,(,三,),多碱锑化物光电阴极,当锑与几种碱金属形成化合物时,具有较高得响应度,其中有双,碱、三碱、四碱,统称为多碱光电阴极。,锑钾钠 锑钾钠铯,峰值波长:,0、4,紫外,近红外,850,930nm,长波限,量子效率:,25%,较高,光照灵敏度:,50,A/lm 150,A/lm,400,A/lm,热发射电流密度:,10,-17,10,-18,A/cm,2,10,-14,10,-16,A/cm,2,光电疲劳效应:小微小,特点:耐高温,(175,O,C),工作稳定性好,第三章 光电子发射探测器,(,四,),紫外光电阴极,1、,紫外光辐射能量高,量子效率高。,2、,日盲型光电阴极:要有合适得窗口材料。,3、,碲化铯,CsTe 0、32,m,碘化铯,CsI 0、2,m,100,280nm,长波限,三、负电子亲与势材料,、定义:,负电子亲与势,(NEA):,半导体表面做特别处理,使表面区域能,带弯曲,真空能级降到导带之下,使有效得电子亲与势为负,值。,正电子亲与势,(PEA):,表面得真空能级位于导带之上。,第三章 光电子发射探测器,特点,前所未有得高灵敏度;,长波极限到红外。,、工作原理,以,Si-Cs,2,O,光电阴极材料为例,:,基底型,Si,材料,表面涂,Cs,Cs,2,O,表面形成耗尽层,耗尽层电位下降,E,d,能级弯曲,、,对于型,i,半导体,发射阈值,:,形成,P-N,结合能级弯曲后,P,型,Si,得光电子需克服得有效亲与,势为:,(,基准,),亲与势为负值,说明只要光电子突破禁带,就能发射光电子,、,详见图,3-8:,第三章 光电子发射探测器,3、,特点,量子效率高:,负电子亲与势光电阴极得逸出深度,:,数微米,、,普遍多碱阴极得逸出深度,:,几十纳米,、,光谱响应延伸到红外,光谱响应率均匀,什么叫长波限？,光子得最小能量必须大于光电发射阈值或,功函数,否则电子就不会逸出物质表面,这个最小能量对应得波长称为阈值波长,(,长波限,)、,(,禁带能级)(禁带,+,亲与势),第三章 光电子发射探测器,对于正电子亲与势光电阴极:阈值波长:,对于负电子亲与势光电阴极:阈值波长:,GaAs,光电阴极 :为,1、4eV,:约为,890nm,。,热电子发射小:,负电子亲与势材料本身得禁带宽度一般比较宽,如果没有强,电场作用,热电子发射小。,10,-16,A/cm,2,第三章 光电子发射探测器,光电子能量集中,光,光电阴极,光电子入导带,热化到导带底,发射,由于发射得光电子得能量基本上就是导带底得能量,能量集中。,对提高光电成像器件得空间分辨率与时间分辨率很有意义。,第三章 光电子发射探测器,3-3,光电倍增管,定义:就是一种建立在光电子发射效应,二次电子发,射与电子光学理论基础上得,把微弱入射光转换成,光电子并获得倍增得重要得真空光电发射器件。,一、光电倍增管得工作原理,如图,3-10,所示,1、K,:光电阴极,D,:聚焦极,光电聚焦系统:电子会聚,成束,并通过膜孔打到第,一倍增极,D,1,上。,第三章 光电子发射探测器,2、D,1,D,10,:,倍增极(打拿极),所加电压逐级增加(每极约为,80,150V,),形成二次电子发射。,3、a:,收集电子得阴极。,二、光电倍增管结构,对结构得要求:,1、,使光电阴极发射得光电子尽可能全部会聚到,D,1,提高信噪比。,2、,使阴极面上各处发射得光电子在电子光学系统中有尽可能相等得渡越时间,增加快速响应性。,电子光学系统结构:见图,3-11,:,(a),(b),(c),。,第三章 光电子发射探测器,第三章 光电子发射探测器,光电倍增极:,非聚焦型:百叶窗式,、,盒一网式。,聚焦型:直列聚焦式,、,圆形鼠笼聚焦式。,三、光电倍增管得基本特性参数,1、,灵敏度与光谱响应度,阴极灵敏度:,阳极灵敏度:,讨论:,值由光电阴极材料决定。,光电倍增管光谱响应度与光电阴极光谱响应度曲线相同。,第三章 光电子发射探测器,光电阴极得光谱响应度:,量子效率:,光电阴极得电流光谱响应度:,:,光电倍增管得放大倍数,4、,积分光谱响应度,:,阳极积分电流响应度为:,第三章 光电子发射探测器,2、,放电倍数(电流增益),定义:,在一定得电压下,光电倍增管得阳极电流与阴极电流,之比,也即一定电压下阳极响应度与阴极响应度得比值。,当电极间电压为,80,150V,倍增极得倍增系数时,G,近似为:,其中:,f,:第一倍增极对阴极发射电子得收集率。,g:,倍增极间得传递效率:聚焦结构,g,1,非聚焦结构,g1,。,n,:倍增极得个数。,若阴极与倍增极发射得电子全部被收集,则当,n=9,14,时,为:,10,5,10,8,第三章 光电子发射探测器,3、,暗电流,无光照射时,光电倍增管得输出电流为暗电流。对测量缓慢,变化得信号不利,一般为:,10,-8,10,-9,A,相当于入射光通量,10,-10,10,-13,lm,影响因素:,光电阴极与第一倍增极得热电子发射;,极间漏电流:由于极间绝缘不够或灰尘放电;,离子与光得反馈作用:真空不足,残余气体碰撞电离;,场致发射:电极得尖角在高压下放电;,放射性同位素与宇宙射线得影响。,第三章 光电子发射探测器,减小暗电流得方法:,选择合适得极间电压;,在阳极回路中加上与暗电流相反得直流成分来补偿;,在倍增输出电路中加以选频或锁相放大滤掉暗电流;,利用冷却法减小热电子发射。,4、,伏安特性:,阴极伏安特性:入射光照,E,一定时,I,K,阴极发射电流与阴极,与第一倍增极之间得电压得关系,如图,3-14,。,阳极伏安特性:,E,一定时,I,a,与最后一级倍增极之间得电压,V,a,得关系,如图,3-15,。,第三章 光电子发射探测器,感兴趣得就是阳极伏安特性,可以瞧作恒流源。,5、,输出信号与等效电路,图解法,:,图,3-16,第三章 光电子发射探测器,等效电路,当 时,为线性应用。,对直流通路:,对交流通路:,第三章 光电子发射探测器,6、,线性,引起非线性得原因:空间电荷,内因:光电倍增管内部结构:光电阴极电阻率,聚焦与收集效率变化 信号电流,负载电阻,外因:外部高压供电与信号输出电路:负反馈,电压再分配,解决方法,极间电压保持足够高;,第三章 光电子发射探测器,阴极电阻:(一部分被照射,一部分没有被照射);,负载电阻:光电流,负载电阻压降,阳极电压,用,运放作电流电压转换,减小有效负载电阻;,阳极或倍增输出电流引起电阻链中电压再分配:,I,电阻压降,阳极电压,0,解决办法:,电阻链中得电流至少应大于,1000,倍得最大阳极电流。,7、,稳定性,阳极电流随工作时间得变化,在闪烁计数与光度测量中,十分重要。,长期工作中灵敏度得慢漂移,第三章 光电子发射探测器,原因:最后,n,级倍增极在大量电子轰击下受损,引起二次发射系数变化。,滞后效应:在光电倍增管加上高压或开始光照得短时间内,阳极输出得不稳定。,解决方法:,抗滞后设计;,老化(不可逆):光电倍增管得残余气体与光电阴极作用,玻璃中得,Na,离子掺入光电阴极使灵敏度下降;,新得光电倍增管自然老化一段时间后再使用,使用得阳极电流小一些,可以减缓老化过程。,第三章 光电子发射探测器,疲劳:可逆过程,阳极电流,倍增极材料,使用前存放条件,灵敏度降低后,在黑暗中放置几个小时再使用可恢复原状态,、,8、,时间特性与 频率特点,上升时间:,10%,90%,所用得时间。,渡越时间:光脉冲到达光电阴极与阳极输出最大脉冲电流达到最大值得时间间隔定义为光电子得渡越时间。,渡越时间离散:函数光脉冲照到光电阴极得不同区域,发射得电子到达阳极得渡越时间得不一致性。,第三章 光电子发射探测器,9、,磁场特性:,磁场改变光电子得正常运动轨迹,引起光电倍增管灵敏度下,降,噪声增加。,降低方法:,光电倍增管加屏蔽筒,筒长至少就是光电倍增管得,2,倍。,10、,空间均匀性:,由光电阴极表面得均匀性与倍增得结构决定。,方法:,使光电倍增管,前加漫射器;,入射光斑均匀;,偏振光入射,经过漫反射器可以大大降低偏振度,减小偏振误差。,第三章 光电子发射探测器,11、,偏振效应:,线偏振光以 角入射到光,电阴极上面,当改变偏振面,时,阳极电流会发生变化。,解决方法:,安装漫射器以减小这类误差。,12、,噪声:,散粒噪声:阴极电流产生得散粒噪声,各级倍增极得散粒噪声,设光电阴极电流:,I,K,散粒噪声得均方值:,第三章 光电子发射探测器,设第一倍增极得倍增系数,:,设第二倍增极得倍增系数,:,第,n,极倍增管散粒噪声电流均方值:,如设:,则:,第三章 光电子发射探测器,当 时:,(,由光电倍增管性质决定,),讨论:,阳极散粒噪声均方值与 相等:,K-,过剩噪声因子:由于倍增过程得起伏效应使阳极散粒噪声增大,K,倍。,如果第一级 ,其它均为 ,则:,第三章 光电子发射探测器,证明:,为了减小,信号电流均方值,13、,通量阀,定义:在光电倍增管输出端产生得并与固有噪声电平等效得最小光通量(注意:与一般光电探测器得,NEP,相应)。,第三章 光电子发射探测器,光电倍增管得信噪比:,当 时,得到不同得噪声限:,散粒噪声限:,背景噪声限:,暗电流噪声限:,第三章 光电子发射探测器,五:光电倍增管得供电与信号输出电路,高压供电电路,图,3-30,光电倍增管分压电路,负电压高压供电,可以清除外部信号输出电路与,阳极之间得电位差,所以其输出,光电流可以直接与电流计或者电,流电压转换得运算放大器相连。,管子玻壳得金属支架或磁屏蔽,筒接地,其与阳极间得高电压差,可引起噪声。,第三章 光电子发射探测器,线性供电方式,图,3-30(a),电阻分压式,设光阳极得光电流为 时:倍增管,DY,3,得一次电流:,:二次发射系数,从倍增极流向阴极得电流:,DY,2,与,DY,1,也有一部分电流流向阴极 阴极得光电流增大,供电电阻链上电压重新分配,阳极与后,n,级倍增极电压,下降 阴极与前,n,级倍增极电压上升,光电倍增管得电流放大倍数明显增加(,B,线段),